制御工学

制御工学は、制御システム工学とも呼ばれ、一部のヨーロッパ諸国では​​自動化工学とも呼ばれ、制御システムを扱う工学分野であり、制御理論を応用して、制御環境において望ましい動作をする機器やシステムを設計します。^{[ 1 ]}制御の分野は、電気工学、化学工学、機械工学と重なり合っており、世界中の多くの教育機関でこれらの分野とともに教えられています。 ^{[ 1 ]}

この手法では、センサーや検出器を使用して制御対象プロセスの出力性能を測定します。これらの測定値は、望ましい性能を達成するための修正フィードバックを提供するために使用されます。人間の入力を必要とせずに動作するように設計されたシステムは、自動制御システムと呼ばれます（自動車の速度を調整するクルーズコントロールなど）。制御システム工学の活動は、学際的な性質を持ち、主に多様なシステムの数学的モデリングから導き出された制御システムの実装に焦点を当てています。^{[ 2 ]}

現代の制御工学は、20世紀の技術進歩に伴い大きな注目を集めた比較的新しい研究分野です。制御理論の実践的な応用として広く定義または分類することができます。制御工学は、家庭用洗濯機のような単純なものから高性能戦闘機に至るまで、幅広い制御システムにおいて重要な役割を果たしています。制御工学は、入力、出力、およびさまざまな挙動を示すコンポーネントの観点から、数学的モデリングを用いて物理システムを理解し、制御システム設計ツールを使用してそれらのシステムのコントローラを開発し、利用可能な技術を用いて物理システムにコントローラを実装することを目指します。システムは、機械、電気、流体、化学、金融、または生物など、さまざまな種類があり、その数学的モデリング、解析、およびコントローラ設計には、設計問題の性質に応じて、時間、周波数、および複素数領域の1つまたは複数における制御理論が使用されます。

制御工学は、多様な動的システム（例えば機械システム）のモデリングと、これらのシステムが望ましい動作をするようにするコントローラの設計に焦点を当てた工学分野です。 ^{[ 3 ]： 6}このようなコントローラは必ずしも電気的なものではありませんが、多くは電気的なものであるため、制御工学はしばしば電気工学のサブ分野と見なされます。

電気回路、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラはすべて、制御システムの実現に利用できます。制御工学は、民間航空機の飛行・推進システムから、多くの現代自動車に搭載されているクルーズコントロールまで、幅広い分野で応用されています。

ほとんどの場合、制御エンジニアは制御システムを設計する際にフィードバックを利用します。これは多くの場合 、比例積分微分制御器（ PID制御器）システムを用いて実現されます。例えば、クルーズコントロールを備えた自動車では、車両の速度が継続的に監視され、システムにフィードバックされます。システムはそれに応じてモーターのトルクを調整します。定期的なフィードバックがある場合、制御理論を用いてシステムがそのフィードバックにどのように反応するかを判断できます。このようなシステムのほぼすべてにおいて安定性は重要であり、制御理論は安定性の確保に役立ちます。

フィードバックは制御工学において重要な要素ですが、制御エンジニアはフィードバックを用いないシステムの制御に取り組むこともあります。これは開ループ制御と呼ばれます。開ループ制御の典型的な例は、センサーを使用せずにあらかじめ決められたサイクルで動作する洗濯機です。

自動制御システムは、2000年以上前に初めて開発されました。記録に残る最初のフィードバック制御装置は、紀元前3世紀頃のエジプトのアレクサンドリアにある古代のクテシビオスの水時計だと考えられています。これは、容器内の水位を調整し、それによって容器からの水の流れを調整することで時間を刻みました。 ^{[ 3 ] : 22} これは確かに成功した装置であり、1258年にモンゴル人がバグダッドを占領したときも、同様の設計の水時計がバグダッドで作られていました。さまざまな自動装置は、何世紀にもわたって、有用なタスクを実行するため、または単に娯楽のために使用されてきました。後者には、17世紀と18世紀にヨーロッパで人気があったオートマタが含まれます。これは、同じタスクを何度も繰り返す踊る人形を特徴としており、これらのオートマタは開ループ制御の例です。フィードバック、または「閉ループ」自動制御装置のマイルストーンとしては、 1620年頃のドレッベルによる炉の温度調節器や、1788年にジェームズ・ワット^{[ 3 ] : 22}が蒸気機関の速度調節に使用した遠心フライボールガバナーなどが挙げられる。

1868年の論文「ガバナーについて」の中で、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、制御システムを記述する微分方程式を用いて、フライボール・ガバナーが示す不安定性を説明することができた。これは、複雑な現象を理解する上で数学モデルと手法が重要かつ有用であることを示し、数学的制御とシステム理論の始まりを告げるものとなった。制御理論の要素はそれ以前にも現れていたが、マクスウェルの分析ほど劇的かつ説得力のあるものではなかった。^{[ 4 ]}

制御理論は、次の世紀にかけて目覚ましい進歩を遂げた。新たな数学的手法に加え、電子技術やコンピュータ技術の進歩により、当初のフライボールガバナーでは制御できなかった、はるかに複雑な動的システムの制御が可能になった。新たな数学的手法としては、1950年代から1960年代にかけての最適制御の発展、そして1970年代から1980年代にかけての確率的、ロバスト、適応型、非線形制御手法の進歩が挙げられる。制御手法の応用は、宇宙旅行や通信衛星、より安全で効率的な航空機、よりクリーンな自動車エンジン、よりクリーンで効率的な化学プロセスなどを実現するのに貢献してきた。

制御工学が独立した学問分野として確立される以前は、制御工学は機械工学の一部として実践され、制御理論は電気工学の一部として研究されていました。これは、電気回路は制御理論の手法を用いて容易に記述できる場合が多かったためです。初期の制御関係では、電流出力は電圧制御入力によって表されていました。しかし、電気制御システムを実装するための適切な技術がなかったため、設計者は効率が悪く応答速度の遅い機械システムを選択せざるを得ませんでした。現在でも一部の水力発電所で広く使用されている非常に効果的な機械式制御装置はガバナーです。その後、現代のパワーエレクトロニクスが登場する以前は、産業用途向けのプロセス制御システムが、空気圧および油圧制御装置を用いて機械技術者によって考案され、その多くは今日でも使用されています。

世界中の多くの大学では、制御工学のコースは主に電気工学と機械工学で教えられています^{が、一部のコースはメカトロニクス工学[} 9 ]や航空宇宙^工学でも教えることができます。他の大学では、制御工学はコンピュータサイエンスと結びついています。これは、今日のほとんどの制御技術が、多くの場合組み込みシステム（自動車分野など）としてコンピュータを介して実装されているためです。化学工学における制御の分野は、プロセス制御としてよく知られています。これは主に、プラントの化学プロセスにおける変数の制御を扱います。これは、あらゆる化学工学プログラムの学部課程の一部として教えられ、制御工学と同じ原理の多くを採用しています。他の工学分野も制御工学と重なり合っています。これは、適切なモデルを導出できるあらゆるシステムに適用できるためです。しかし、制御工学を専門とする学科も存在し、例えばイタリアには制御工学を専門とするオートメーション＆ロボティクスの修士課程がいくつかあり、シェフィールド大学の自動制御・システム工学科^{[ 10 ]}や米国海軍兵学校のロボティクス・制御工学科^{[ 11 ]}、イスタンブール工科大学の制御・オートメーション工学科^{[ 12 ]などがある。}

制御工学は、科学、金融管理、さらには人間の行動など、多様な応用分野を持っています。制御工学を学ぶ学生は、まず時間領域と複素数領域を扱う線形制御システムのコースから始めることができます。このコースでは、古典制御理論と呼ばれる、初等数学とラプラス変換に関する十分な基礎知識が必要です。線形制御では、周波数領域と時間領域の解析を行います。デジタル制御と非線形制御のコースでは、それぞれZ変換と代数学が必要となり、これらを修了することで基本的な制御教育が完了すると言えるでしょう。

制御エンジニアのキャリアは学士号から始まり、大学での学習過程を経て継続することができます。制御エンジニアの学位は通常、電気工学または機械工学の学位と組み合わされますが、化学工学の学位と組み合わされることもあります。制御工学の調査によると、回答者のほとんどは、さまざまな形でキャリアを積んでいる制御エンジニアでした。^{[ 13 ]}

「制御エンジニア」と分類される職業はそれほど多くなく、そのほとんどは制御工学という包括的な職業に少し似ている特定の職業です。2019年の調査に回答した制御エンジニアの大多数は、システムまたは製品設計者、あるいは制御エンジニアまたは計測エンジニアです。ほとんどの仕事はプロセスエンジニアリング、生産、あるいはメンテナンスに関わるもので、制御工学の何らかのバリエーションです。^{[ 13 ]}

このため、航空宇宙企業、製造企業、自動車企業、電力会社、化学会社、石油会社、政府機関には多くの仕事の機会があります。制御エンジニアを雇用している企業には、ロックウェル・オートメーション、NASA、フォード、フィリップス66、イーストマン、グッドリッチなどがあります。^{[ 14 ]}制御エンジニアは、ロッキード・マーティン社で年間6万6千ドル稼ぐことができます。ゼネラルモーターズ社では年間最大9万6千ドル稼ぐことができます。^{[ 15 ]}製油所や特殊化学プラントでよく見られるプロセス制御エンジニアは、年間8万ドル以上稼ぐことができます。^{[ 16 ] [ 17 ]}

インドでは、制御システム工学は、ディプロマ、学士、修士のさまざまなレベルで提供されています。これらのプログラムでは、候補者は中等教育で物理、化学、数学を選択しているか、大学院課程の場合は関連する学士号を取得している必要があります。^{[ 18 ]}

元々、制御工学は連続システムに関するものでした。コンピュータ制御ツールの開発により、コンピュータベースのデジタルコントローラと物理システム間の通信がコンピュータクロックによって制御されるため、離散制御システム工学が必要となりました。^{[ 3 ]： 23}離散領域におけるラプラス変換に相当するのはZ変換です。今日では、多くの制御システムがコンピュータ制御されており、デジタルコンポーネントとアナログコンポーネントの両方で構成されています。

したがって、設計段階では次のいずれかを選択する。

• デジタルコンポーネントは連続領域にマッピングされ、設計は連続領域で行われる。
• アナログ部品は離散領域にマッピングされ、そこで設計が行われる。

これら2つの方法のうち、最初の方法は実際によく見られる。なぜなら、多くの産業システムは、機械、流体、生物、アナログ電気部品など、多くの連続的なシステムコンポーネントと少数のデジタルコントローラで構成されているからである。

同様に、設計技術は紙と定規を用いた手動設計からコンピュータ支援設計へと進歩し、現在では進化計算によって可能になったコンピュータ自動設計（CAD）へと発展している。CADは、あらかじめ定義された制御方式の調整だけでなく、特定の制御方式とは無関係に、純粋に性能要件に基づいて、コントローラ構造の最適化、システム同定、新しい制御システムの発明にも適用できる。^{[ 19 ] [ 20 ]}

レジリエント制御システムは、計画された障害のみに対処するという従来の焦点をフレームワークに拡張し、複数のタイプの予期せぬ障害に対処しようとします。特に、悪意のある行為者、異常な故障モード、望ましくない人間の行動などに応じて制御システムの動作を適応および変換します。^{[ 21 ]}

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• コントロールラボワールドワイド
• ミシガン大学化学工学科プロセスダイナミクスおよび制御オープン教科書
• 制御システムインテグレーター協会
• 制御システムインテグレーター一覧
• 機械学会 - メカトロニクス、情報科学、制御グループ（MICG）
• システム科学と制御工学：オープンアクセスジャーナル